疾病的分子機(jī)制

1、疾病的分子機(jī)制疾病的分子機(jī)制是指一種狹義的概念，是指大分子（蛋白質(zhì)與核酸）在疾病發(fā) 生、發(fā)展中的作用。這里我們只闡述遺傳性疾病中的基因突變機(jī)制。同樣，把由于 基因突變、缺失或表達(dá)障礙引起的疾病也稱為“基因病”。一、基本概念與分類（一）基因病的分類單基因病單基因病是指由單個基因缺陷引起的疾病。目前已發(fā)現(xiàn)五六千種單基因病。其 中，多數(shù)單基因病表現(xiàn)為顯性遺傳；有的為隱性遺傳；還有的呈X性連鎖遺傳（如 血友?。６嗷虿《嗷虿∈侵赣啥鄠€基因的結(jié)構(gòu)或表達(dá)調(diào)控的改變引起的疾病。例如，高血壓、 糖尿病、自身免疫性疾病和惡性腫瘤等都屬于多基因病。多基因病的相關(guān)基因在致 病過程中發(fā)揮的作用可能等同，也可能有主

2、有次。另外，也受年齡和環(huán)境因素影響， 表現(xiàn)出基因的易感性。獲得性基因病獲得性基因病是指由病原微生物感染引起宿主細(xì)胞的基因改變或喪失，但不會 遺傳。如HBV、HCV可整合到肝細(xì)胞的DNA上導(dǎo)致肝癌發(fā)生。（二）基因突變基因突變（gene mutation）是指基因組DNA分子在結(jié)構(gòu)上發(fā)生核酸序列或 數(shù)目的改變。我們講基因突變存在于整個生物界，同樣基因突變也是一把雙刃劍： 首先，沒有基因的突變，就沒有進(jìn)化；另外，基因突變可以導(dǎo)致基因病的發(fā)生?；虻耐蛔兇嬖谕蛔儫狳c(diǎn)（hot spots of mutation ）或突變區(qū)。因?yàn)镈NA分子 上的各個部位堿基發(fā)生突變的頻率不同，某的部位突變頻率高的稱為突變

3、區(qū)，突變 頻率低的稱保守區(qū)。如只涉及單個堿基改變者稱點(diǎn)突變（point mutation）。基因突變的一般特征（1）多向性基因突變的多向性是指同一位點(diǎn)（locus）上的同一祖先基因可獨(dú)立發(fā)生多次 突變，形成等位基因（multiple gene）。例如，在染色體的某一個位點(diǎn)存在基因 A，在一定的條件下基因A發(fā)生突變形成A1，再突變形成A2、A3、A4等，并 表現(xiàn)出不同的表型，形成復(fù)等位基因。人類最典型的例子是ABO血型的復(fù)等位基因 存在。（2）可逆性基因突變的方向是可逆的，一個顯性基因A可以突變?yōu)殡[性基因a，同樣， 隱性基因a也可以突變?yōu)轱@性基因A，恢復(fù)原來的狀態(tài)。前者稱為正突變；后者 稱為回復(fù)

4、突變。但是正突變的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回復(fù)突變。（3）有害性大部分基因突變，對人體來講是有害的。遺傳性疾病引起是由于包括生殖細(xì)胞 在內(nèi)所有細(xì)胞的存在同一基因突變造成的。另外，體細(xì)胞的基因突變后有三種可能： 1）突變細(xì)胞死亡、清除；2）突變細(xì)胞增殖分化異常導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞發(fā)生；3） 中性突變，就是基因突變后對細(xì)胞無害（不改變細(xì)胞的表型和功能）（4）稀有性人類的基因在群體中自然突變的概率是非常低的，大約在每代1萬-100萬個生 殖細(xì)胞中出現(xiàn)1次突變（10-6-10-4/生殖細(xì)胞/位點(diǎn)/代）。例如，F(xiàn)訓(xùn)（AHG ）基因 突變率為2.0 X 10-5， 100萬個生殖細(xì)胞中有20個細(xì)胞的AHG基因發(fā)生突變。（5

5、）重復(fù)性重復(fù)性是指基因突變總是以一定的頻率在某一基因位點(diǎn)上反復(fù)發(fā)生。例如，白 化病基因可以在不同的個體重復(fù)出現(xiàn)。另外，有時可表現(xiàn)出種族性，如鐮狀紅細(xì)胞 貧血病只在黑人中出現(xiàn)。（6 ）隨機(jī)性對不同的基因來講，突變發(fā)生的幾率是相同的，但對具體的個體來講突變發(fā)生 是隨機(jī)的。基因突變的類型（1）堿基置換突變堿基置換突變是指一個堿基被另一堿基取代而造成的突變?？煞譃椋恨D(zhuǎn)換（transition ），堿基置換在嘌吟與嘌吟或嘧啶與嘧啶之間進(jìn)行；顛換（transversion ），為嘌吟與嘧啶之間的置換。在自然界，轉(zhuǎn)換突變多于顛換突變。由于堿基置換導(dǎo)致核苷酸順序的改變，也 就是密碼子發(fā)生改變，這樣對多肽鏈中氨

6、基酸的順序可能會產(chǎn)生影響，這樣根據(jù)其 影響的程度不同，可以把堿基置換突變分為下幾種：同義突變( same-sense or synonymous mutation )是指單個堿基置換前 后的密碼子所編碼的氨基酸一樣。例如，密碼子GCG的第三位G被A取代而成 GCA，使mRNA的原來密碼子CGC被改變?yōu)镃GU，但CGC和CGU都是精氨酸的 密碼子，所以，翻譯成的氨基酸肽鏈沒有任何變化。錯義突變(missense mutation)是指DNA分子中的核苷酸置換導(dǎo)致合成 的多肽鏈中一個氨基酸被另一氨基酸所取代。例如，mRNA中密碼子AAA (賴)的第二個核苷酸A顛換為C時，則該密碼子編 碼的氨基酸由

7、賴氨酸改變?yōu)樘K氨酸。錯義突變的結(jié)果是產(chǎn)生異常蛋白質(zhì)。但是，有 些錯義突變并不影響蛋白質(zhì)或酶的生物活性，因而把不表現(xiàn)出明顯的表型效應(yīng)的突 變稱為中性突變(neutral mutation)。無義突變(non-sense mutation)是指單個堿基置換導(dǎo)致終止密碼子(UAG、 UAA、UGA)提前出現(xiàn)。由于終止密碼提前出現(xiàn)導(dǎo)致多肽鏈合成被提前終止，這樣 所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)會失去原來的活性和功能。如果無義突變發(fā)生在靠近3末端處， 表現(xiàn)為滲漏型，所謂滲漏型是指可能具有野生型多肽鏈的抗原性，但無生物學(xué)活性， 不能發(fā)揮其正常功能終止密碼突變 (termination codon mutation)是指 D

8、NA 分子中一個終 止密碼發(fā)生突變，成為編碼氨基酸的密碼子，使多肽合成到該停止的地方停不下來， 結(jié)果肽鏈出現(xiàn)異常延長。也稱為延長突變(elongtion mutation)。抑制基因突變(suppressor gene mutation)是指一次基因突變的結(jié)果 抑制了另一基因突變所產(chǎn)生的后果。例如：Hb Harlem是0鏈第6位谷氨酸突變 成纈氨酸，第73位天冬氨酸變成天冬酰胺；如果單純0 6谷氨酸一纈氨酸，就 會造成患者死亡。由于存在0 73位突變抑制了 0 6突變的有害效應(yīng)。使患者臨床 表現(xiàn)變的較輕。(2 )移碼突變和整碼突變移碼突變(frame-shift mutation )是指DNA

9、鏈上插入或丟失1個、2個甚 至多個(但不包括三個或其倍數(shù))堿基，導(dǎo)致在插入或丟失堿基部位以后的編碼都 發(fā)生了相應(yīng)改變。如果插入或丟失部位的前后氨基酸順序不變，稱為整碼突變(codon mutation )。二、單基因病的發(fā)病機(jī)制單基因疾病中最常見的包括：代謝酶類缺陷疾病，血紅蛋白結(jié)構(gòu)異常和數(shù)量缺 陷疾病，其他蛋白因子缺陷。（一）代謝酶類缺陷苯丙酮尿癥苯丙酮尿癥是由于苯丙氨酸代謝途徑中酶缺陷所致，因患兒尿液中排出大量苯 丙酮酸等代謝產(chǎn)物而得名。另外，患兒智力出現(xiàn)低下，皮膚、毛發(fā)色淺，汗和尿有 特殊的鼠嗅味。它最早由Fouling于1934年發(fā)現(xiàn)的，1953年Jervis證實(shí)是由 于苯丙氨酸羥化酶

10、缺陷引起，此酶是催化苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為酪氨酸的代謝途徑的關(guān)鍵 酶。患者的苯丙氨酸羥化酶缺陷的主要原因是基因的錯義突變、缺失以及剪接突變造成 的。苯丙酮尿癥可以分為兩型：一是苯丙氨酸羥化酶缺陷導(dǎo)致的PKU型（99%）， 另一種是BH4型（1%）鳥苷三磷酸環(huán)化水合酶（GTP-CH）、6-丙酮酰四氫蝶 吟合成酶（6-pts）和二氫生物蝶吟還原酶（DHPR ）缺乏也可以造成苯丙酮尿癥。苯 丙酮尿癥屬常染色體隱性遺傳。其發(fā)病率隨種族而異，約為l/6000l/25000 ， 我國發(fā)病率約為1/16500。它也是我國法定的新生兒進(jìn)行普查的病種之一。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD ）缺陷是最為常見的人類代謝酶類

11、缺陷疾病，也是紅細(xì)胞內(nèi)磷酸戊糖旁路缺陷的遺傳 性疾病之一?；颊呓^大多數(shù)平時沒有什么臨床癥狀，但在一定條件下，例如，服用 氧化劑藥物（磺胺藥、注射維生素K、缺氧）、蠶豆口服或感染時，可以發(fā)生明 顯的溶血性貧血。臨床上典型的病癥包括持續(xù)性的新生兒黃疸（neonatal jaundice ）和溶血性貧血（hemolytic anemia ）。新生兒黃疸是一種見于男嬰的 遺傳病。G6PD位于Xq28，基因占有18.5kb的區(qū)域，由13個外顯子和12個內(nèi)含子 組成，編碼的成熟mRNA長度2269bp，翻譯出的肽鏈約59Kd。有活性的蛋白是 由2個或4個相同的亞基組成。目前發(fā)現(xiàn)G6PD缺陷有400多種，其

12、中56種變 異的酶切位點(diǎn)已經(jīng)被查出，大多數(shù)突變位點(diǎn)涉及氨基酸替代引起酶的活性部分喪失。 而且突變位點(diǎn)集中于酶蛋白的羧基端，介于362-446號氨基酸之間；相反，臨床癥 狀較輕的患者常常是由于突變發(fā)生于氨基端，對G6PD酶的活性影響較小。如果酶 活性完全失去，將不可能正常發(fā)育到出生。G6PD是一個典型的看家基因，即在絕大部分組織的細(xì)胞中都需要，它催化葡萄 糖-6-磷酸分子的脫氫反應(yīng)，使氧化型的NAPD +還原為NAPDH，是人類磷酸戊 糖代謝途徑的第一步反應(yīng)。但在紅細(xì)胞內(nèi)，這個過程是唯一的NAPDH產(chǎn)生途徑。如 果G6PD缺陷，使紅細(xì)胞對氧化物的清除能力喪失，產(chǎn)生自由基，在清除自由基時 消耗了還

13、原性谷胱甘肽（GSH ）又不能及時補(bǔ)充；使GSH進(jìn)一步減少。GSH減少 時，患者Hb中的巰基易被氧化，紅細(xì)胞膜變的極其不穩(wěn)定，造成溶血癥狀。所以 G6PD缺陷病人會對氧化性的藥物敏感。G6PD缺陷病人藥物敏感種類超過50種， 其中包括常見的阿司匹林、氯喹、奎寧、磺胺嘧啶、氯霉素等。（二）血紅蛋白病血紅蛋白分子及其基因人類Hb由4條珠蛋白鏈組成，但珠蛋白肽鏈有四種類型，分別是a、6、0 和Y肽鏈。正常成年人Hb是由兩條a和兩條6鏈，可以寫成a 26 2 ；每條珠蛋 白鏈由140多個氨基酸鏈組成，并攜帶一個血紅素（heme）基團(tuán)。Hb的功能是 攜帶和運(yùn)輸氧氣，把氧氣從肺泡運(yùn)輸?shù)浇M織。人類的珠蛋白基

14、因分別位于11P和16p。其中11p （短臂末端）上分布有類 6鏈基因家族的5個功能基因（、Gy、a y 0和6）和1個假基因，約有25Kb 的區(qū)域，編碼6、0、Y肽鏈。16p聚集2個a基因（a 1、a 2）和0基因， 以及2個假基因，約有60Kb的區(qū)域，編碼a肽鏈。所有的珠蛋白基因結(jié)構(gòu)也都 非常近似，均由3個外顯子組成，中間插有2個內(nèi)含子。Hb病結(jié)構(gòu)變異的分子機(jī)制Hb基因的任何變異都可能導(dǎo)致蛋白結(jié)構(gòu)和功能改變，這也是導(dǎo)致Hb病的原因。 目前已發(fā)現(xiàn)的珠蛋白的單核苷酸突變大約有600多個類型。在這些突變中，多數(shù)不 會影響Hb的功能和人類健康，但有些突變可以導(dǎo)致Hb變異性疾病。從分子水平 上分析，

15、Hb病結(jié)構(gòu)變異產(chǎn)生的機(jī)制可能有以下幾種：Hb病結(jié)構(gòu)變異產(chǎn)生的機(jī)制類型機(jī)制表型錯義突 變6鏈基因第6位密碼子CTT - CAT，結(jié)果谷f 纈HbS無義突 變6鏈基因第145位密碼子UAU f UAA （終止碼）使6 鏈在C端少了2個氨基酸Hb MckeesRocks終止碼 突變a鏈基因UAAfGAA（谷）使C端多31個aaHb seal Rocks啟動子 突變6鏈基因有-28位AG使TATA框突變6鏈生成障礙 性貧血移碼突 變a鏈基因第138位密碼子UCC的第3個堿基C缺失導(dǎo)致后 面堿基重新編碼，肽鏈延長到147位Hb Wayne融合突 變a和6發(fā)生錯誤聯(lián)合和不等交換使a鏈的N端部分與6 鏈的C

16、端部分融合在一起，形成a 6鏈。Hb LeponeHb變異性疾病是指在血紅素結(jié)合區(qū)域或構(gòu)象維持的關(guān)鍵氨基酸殘基，以及亞單位結(jié)合位點(diǎn)發(fā) 生氨基酸替代的基因突變，導(dǎo)致Hb對氧的親和力改變。（1）不穩(wěn)定血紅蛋白引起的貧血是由于血紅素不能穩(wěn)定的結(jié)合到珠蛋白的血紅素口袋，使無血紅素的珠蛋白在 紅細(xì)胞內(nèi)沉積。輕者會使紅細(xì)胞過早地被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除，重者直接引起溶血， 結(jié)果使患者出現(xiàn)程度不同的貧血表現(xiàn)。發(fā)生機(jī)制是只要能造成血紅素口袋周圍的氨基酸替代或缺失的基因突變，都能 影響血紅素和珠蛋白的結(jié)合能力。目前，已經(jīng)有100多種不穩(wěn)定Hb被發(fā)現(xiàn)，其中 3/4發(fā)生在珠蛋白P基因。（2）高鐵血紅蛋白血癥（HbM）臨床

17、表現(xiàn)是先天性家族性紫紺出現(xiàn)。其發(fā)病機(jī)制是由于血紅素口袋周圍的氨基 酸殘基被替代，產(chǎn)生多出一個配位鍵，使血紅素中正常二價鐵離子過快變成三價鐵 離子，處于脫氧狀態(tài)而不能結(jié)合氧。目前發(fā)現(xiàn)，有7種珠蛋白突變可以導(dǎo)致HbM，其中6種涉及組氨酸殘基被酪 氨酸所取代。酪氨酸側(cè)鏈上的羥基能與二價鐵離子形成穩(wěn)定的配位鍵，形成三價鐵 的高鐵Hb，氧親和力下降，失去攜氧功能，產(chǎn)生紫紺。一種是P鏈67位纈氨 酸被谷氨酸取代，谷氨酸的游離羧基可與血紅素二價鐵離子結(jié)合，成為三價鐵穩(wěn)定 狀態(tài)，產(chǎn)生高鐵Hb。（3）伴有紅細(xì)胞增多的異常血紅蛋白病 （abnormal hemoglobin syndrome with eryth

18、rocytosis ）這是由于Hb對氧親合力升高，使氧離曲線左移，不易釋放出氧，造成組織缺 氧，缺氧刺激紅細(xì)胞生成增加，導(dǎo)致代償性的紅細(xì)胞增多癥。能引起Hb對氧親合力升高的珠蛋白基因突變有50余種，但常見的： 位 于a邛2 （或a 2。1）亞基接觸面的氨基殘基發(fā)生了取代；P珠蛋白肽鏈 羧基端和2，3-DPG結(jié)合位點(diǎn)發(fā)生了氨基酸取代；血紅素口袋四周的氨基酸被 取代。這三種基因突變都導(dǎo)致Hb構(gòu)象變化和對氧親合力升高，氧離曲線左移。（4）鐮狀細(xì)胞病鐮狀細(xì)胞病是指。珠蛋白鏈第6位纈氨酸被谷氨酸替代，產(chǎn)生HbS。純合 子突變患者在相對缺氧時，HbS可形成高分子的束狀結(jié)構(gòu)，并且合并為形成長棒狀 纖維束，使

19、紅細(xì)胞膜出現(xiàn)變形成為鐮狀。鐮狀細(xì)胞容易被脾臟所破壞，使血液的粘 滯度加大和加重缺氧?；颊呖沙霈F(xiàn)腹痛和肌肉疼痛，在后期出現(xiàn)病變組織壞死。雜 合子突變時，紅細(xì)胞壽命可以是正常的，因?yàn)镽BC內(nèi)HbS含量低于40%，但在嚴(yán) 重低氧時紅細(xì)胞也會發(fā)生鐮狀化。Hb表達(dá)減少或缺失-地中海貧血地中海貧血的發(fā)生機(jī)制主要是珠蛋白基因發(fā)生缺陷或缺失，使某種珠蛋白肽鏈 的合成受到抑制所引起的一組遺傳性貧血。根據(jù)受影響的珠蛋白不同，可分為：a 和6地中海貧血。同樣，如果是雜合子缺陷，稱為a +和6 +地中海貧血；如果是 純合子缺陷，稱為a 0和6 0地中海貧血。6地中海貧血發(fā)生的分子機(jī)制類型機(jī)制表型易患群體缺失融合蛋白H

20、b Lepore:7K 缺失一融合蛋白6 0 , 6 Lepore意大利珠蛋白基因缺失619bp缺失6 0印度RNA合成缺失RNA剪接缺失內(nèi)含子1剪接受位異常AG - GG6 0非洲啟動子突變ATA 框突變:ATAA - GTAA6 +日本RNA加帽位點(diǎn)異常RNA加幅位點(diǎn)突變：A - C6 +亞洲多A信號缺陷AATAAA - AACAAA6 +非洲無功能RNA無義突變密碼子 39 : CAG - UAG6 0地中海密碼子16的單bp缺失：UGGGGC AAGGUG AAG - UGG GCA AGG UGA （終 止）6 0印度改變剪接的編碼區(qū)突變中性突變密碼子 24 : GGU - GGA6

21、 +非洲錯義突變密碼子 26 : GAG - AAG6 +東南亞(三)其他基因缺陷導(dǎo)致的疾病上個世紀(jì)后期，人們對基因病的研究從表型-基因型-基因克隆路線轉(zhuǎn)移到 疾病-基因克隆-分析的研究策略，其中重要的原因是連鎖不平衡為基礎(chǔ)的反向 遺傳學(xué)方法提出。盡管以這種方法克隆的基因很可能難以判斷其分子機(jī)制，但明確 提示某一種疾病與此基因的突變密切相關(guān)的。比較典型的病例有以下三種：唐氏肌營養(yǎng)不良癥(Duchenne muscular dystrophy, DMD )DMD大多發(fā)生于男性，在歐洲男性的發(fā)病率為1/3,500，具有典型的X染色體 連鎖的特征，但我們無法從患病的肌肉樣本中獲得異常表達(dá)或突變產(chǎn)物的信息。但 從細(xì)胞遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)部分病例的Xp21位點(diǎn)上存在缺失的特征，然后，對這一位 點(diǎn)進(jìn)行基因克隆，發(fā)現(xiàn)該基因含有100個外顯子，可編碼一個3685個氨基酸的蛋 白質(zhì)，這蛋白質(zhì)在橫紋肌、平滑肌和心肌細(xì)胞都有表達(dá)，是細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的膜蛋白（肌 營養(yǎng)素，dystrophin）。從蛋白結(jié)構(gòu)和位置判斷，肌營養(yǎng)素的功能可能是通過和 膜蛋白結(jié)合，維持肌細(xì)胞的完整性，但真正